生活垃圾焚燒飛灰固化處理研究

彭華平,彭　佳,熊祖鴻*,魯　敏?。?佛山市南海綠電再生能源有限公司,廣東　佛山　585；.　中國(guó)科學(xué)院廣州能源研究所,廣州　50640）

生活垃圾焚燒飛灰固化處理研究

彭華平1,彭佳1,熊祖鴻*2,魯敏2
（1.佛山市南海綠電再生能源有限公司,廣東佛山528225；2.中國(guó)科學(xué)院廣州能源研究所,廣州510640）

對(duì)某生活垃圾焚燒廠的飛灰組分及浸出毒性進(jìn)行了分析，飛灰中Pb、Cd的浸出濃度明顯超過廢物填埋濃度限值，填埋前需要固化處理。在不同配比條件下，制取了飛灰固化體，并分析了高壓蒸養(yǎng)和自然養(yǎng)護(hù)固化工藝條件下，固化體的抗壓強(qiáng)度及浸出毒性。在飛灰摻量為70%、蒸養(yǎng)壓力0.5MPa的情況下，固化體仍能獲得較高的抗壓強(qiáng)度；飛灰固化體的各種重金屬浸出濃度均低于廢物填埋濃度限值，達(dá)到了進(jìn)入填埋場(chǎng)填埋處置的要求，同時(shí)也具備了資源化利用的基礎(chǔ)條件。

生活垃圾焚燒飛灰；固化；抗壓強(qiáng)度；浸出毒性

世界各國(guó)城市生活垃圾的處理方式主要有填埋、堆肥、焚燒和氣化熔融4種[1]。焚燒處理由于無害化徹底、減量顯著等優(yōu)點(diǎn)己成為當(dāng)今世界經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)國(guó)家廣泛采用的城市垃圾處理技術(shù)[2]，伴隨而來的焚燒飛灰的安全處置也成為熱點(diǎn)問題[3]。焚燒法處理城市生活垃圾產(chǎn)生的飛灰富含重金屬，如處理不當(dāng)會(huì)造成極大的危害。隨著焚燒處理的逐漸推廣，焚燒飛灰的妥善處理已日益迫切，其中固化處理操作簡(jiǎn)單，是應(yīng)用最普遍的方法[4]。

1　材料與方法

1.1樣品采集與成分分析

垃圾焚燒飛灰樣品采自廣東某垃圾焚燒發(fā)電廠，分別于不同時(shí)間段采集多個(gè)樣品，且于實(shí)驗(yàn)室混合均勻后備用。

樣品成分采用X射線熒光光譜儀進(jìn)行分析，采用160mA電流、4kW滿功率激發(fā)，另配備5個(gè)分光晶體，對(duì)樣品中的元素含量進(jìn)行定量檢測(cè)。

1.2浸出毒性的檢測(cè)

采用《固體廢物浸出毒性浸出方法醋酸緩沖溶液法》(HJ/T300-2007)對(duì)飛灰及其固化體進(jìn)行浸出毒性實(shí)驗(yàn)。因飛灰及其固化體均有較強(qiáng)堿性，所以采用該方法中的浸提劑2#(用去離子水稀釋17.25m l的冰醋酸至1L，配制后溶液的pH值應(yīng)為2.64±0.05)作為重金屬的浸出溶劑；旋轉(zhuǎn)浸出時(shí)間為18±2h；靜置3h至固液分離后采用0.45μm微孔濾膜過濾，收集全部濾液即為浸出液。然后采用美國(guó)PerkinElmer儀器公司的電感耦合等離子體發(fā)射光譜儀對(duì)浸出液中的Zn、Pb、As、Cd、Cr、Ni、Cu等元素的含量進(jìn)行檢測(cè)。

1.3 飛灰固化實(shí)驗(yàn)

1.3.1實(shí)驗(yàn)流程

采用圖1所示的流程對(duì)焚燒飛灰進(jìn)行固化處理。飛灰、水泥、硅質(zhì)細(xì)料以及添加劑經(jīng)攪拌機(jī)混勻后，注入標(biāo)準(zhǔn)試模成型。實(shí)驗(yàn)中使用40*40*160mm標(biāo)準(zhǔn)試模，以便對(duì)飛灰固化體進(jìn)行抗壓強(qiáng)度分析。

1.3.2實(shí)驗(yàn)方案

采用如表1所示6種不同配比的實(shí)驗(yàn)方案對(duì)飛灰進(jìn)行固化處理。在6種不同的配比中，穩(wěn)定劑用量均為飛灰量的3%，減水劑用量均為總粉末量的0.5%。其中1#與4#飛灰摻量為50%，2#與5#飛灰摻量為60%，3#與6#飛灰摻量為70%。

表1　飛灰固化實(shí)驗(yàn)方案

每種配比均制備出了5塊固化體，其中3塊固化體采用高壓蒸養(yǎng)固化，蒸養(yǎng)壓力分別為0.5MPa、1.0MPa和1.5MPa；其余2塊固化體則采用自然氧護(hù)固化，養(yǎng)護(hù)時(shí)間分別為7d和28d。實(shí)驗(yàn)的目的在于比較不同配比的固化體在不同養(yǎng)護(hù)條件下的抗壓強(qiáng)度和浸出毒性，為工業(yè)化應(yīng)用提供借鑒。

高壓蒸養(yǎng)過程采用陶瓷釉面磚抗龜裂實(shí)驗(yàn)儀（蒸壓釜），型號(hào)為TKL-500，額定工作壓力2.2Mpa，電阻絲加熱，功率9KW?？箟簭?qiáng)度采用電液式抗折抗壓試驗(yàn)機(jī)(型號(hào)TSY-300)，最大實(shí)驗(yàn)壓力300KN，精度等級(jí)為1級(jí)。

2　結(jié)果與討論

2.1 垃圾焚燒飛灰組成

垃圾焚燒飛灰中重金屬的成分和含量與焚燒的垃圾組分、焚燒爐爐型、焚燒條件和煙氣處理工藝息息相關(guān)[5]，通過對(duì)廣東某生活垃圾焚燒發(fā)電廠的飛灰取樣分析，測(cè)得飛灰的元素組成主要包括Si、Ca、Al、Fe、O、Cl、S、Mg、Na、K、Ti等，飛灰與水泥一樣均屬于CaO-SiO2-Al2O3-Fe2O3體系。

2.2 飛灰浸出毒性

采用《生活垃圾填埋場(chǎng)污染控制標(biāo)準(zhǔn)》(GB16889-2008)規(guī)定的飛灰重金屬浸出方法所得的浸出液中重金屬濃度與相應(yīng)的廢物填埋濃度限值見表2。

表2　飛灰浸出毒性

由表2可知，飛灰中大部分重金屬的浸出濃度均低于廢物填埋濃度限值，但Pb和Cd的浸出濃度卻明顯超過廢物填埋濃度限值，分別為廢物填埋濃度限值的12倍和5.7倍。因此，該垃圾焚燒發(fā)電廠的飛灰在送至填埋場(chǎng)填埋處置之前，必須進(jìn)行有效的固化/穩(wěn)定化處理，使重金屬的浸出濃度低于廢物填埋濃度限值。

2.3 不同配比及養(yǎng)護(hù)條件下固化體的抗壓強(qiáng)度

飛灰固化體最重要的工程性質(zhì)就是抗壓強(qiáng)度[6]。不同配比及養(yǎng)護(hù)條件下，固化體的抗壓強(qiáng)度數(shù)據(jù)如表3所示。

表3　飛灰固化體抗壓強(qiáng)度

由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，飛灰摻量越高，固化體的抗壓強(qiáng)度越低。飛灰摻量相同的情況下，硅灰的添加對(duì)固化體的抗壓強(qiáng)度沒有明顯的影響，這是因?yàn)檎麴B(yǎng)時(shí)間較短，水化反應(yīng)不徹底，所生成的水化硅酸鈣固化體只具備初步的強(qiáng)度。另外，蒸壓養(yǎng)護(hù)壓力對(duì)固化體的強(qiáng)度也有較大的影響，在0.5MPa的情況下，6種固化體均有較高的抗壓強(qiáng)度。當(dāng)蒸壓養(yǎng)護(hù)壓力增加至1.5MPa時(shí)，所有固化體的抗壓強(qiáng)度則降至10MPa以下，從實(shí)驗(yàn)的結(jié)果就可以看出，直線升溫情況下壓力過高反而會(huì)降低固化體的強(qiáng)度，這是壓力上升過快使固化體內(nèi)外溫度不均、內(nèi)水逸出較快、固化體膨脹及剪應(yīng)力降低所致。這說明在蒸養(yǎng)過程中，溫度及壓力的上升速度的減小應(yīng)有利于固化體強(qiáng)度的提高。

較長(zhǎng)時(shí)間的自然養(yǎng)護(hù)和高壓蒸養(yǎng)，固化體都能達(dá)到較高的物理性能，自然養(yǎng)護(hù)28d后，固化體抗壓強(qiáng)度最高可達(dá)24.45MPa，略高于蒸養(yǎng)條件下的固化體最高抗壓強(qiáng)度22.8MPa。但是，由于自然養(yǎng)護(hù)所需時(shí)間太長(zhǎng)，導(dǎo)致占地面積大，在工業(yè)應(yīng)用中難以實(shí)現(xiàn)。0.5MPa壓力下蒸養(yǎng)4h制取的固化體的抗壓強(qiáng)度均高于自然養(yǎng)護(hù)7d制取的固化體的抗壓強(qiáng)度，因此，高壓蒸養(yǎng)工藝能夠最大幅度地縮短飛灰固化時(shí)間，提高飛灰處理效率。

2.4 不同配比及養(yǎng)護(hù)條件下固化體的浸出毒性

飛灰固化體浸出毒性的高低決定了其能否進(jìn)入填埋場(chǎng)填埋處置。不同配比的固化體在不同養(yǎng)護(hù)條件下的重金屬浸出毒性如圖2所示。

分析圖2的實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，自然養(yǎng)護(hù)條件下固化體的浸出毒性普遍低于蒸養(yǎng)固化條件下固化體的浸出毒性，這可能是自然養(yǎng)護(hù)過程中固化體在水中浸泡過所致。

對(duì)比圖2的結(jié)果與表2中的數(shù)據(jù)可知，自然養(yǎng)護(hù)和蒸壓養(yǎng)護(hù)條件下制取的固化體的重金屬浸出濃度遠(yuǎn)低于飛灰的重金屬浸出濃度。另外值得注意的是，實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)只有當(dāng)固化體中飛灰的摻量達(dá)到70%時(shí)，Cd的浸出濃度才會(huì)超過廢物填埋濃度限值。

另外由該圖還可知，蒸養(yǎng)壓力的大小對(duì)大部分重金屬的浸出毒性影響不明顯，只有金屬Ba的浸出濃度隨著蒸養(yǎng)壓力的增加而增加。綜上所述，固化處理對(duì)于降低飛灰的重金屬浸出毒性有重要作用。在飛灰摻量不超過70%的條件下，經(jīng)固化處理后，飛灰中各種重金屬浸出濃度均低于廢物填埋濃度限值，達(dá)到了進(jìn)入填埋場(chǎng)填埋處置的要求。

3　結(jié)論

（1）該生活垃圾焚燒廠飛灰中的大部分重金屬浸出濃度均低于廢物填埋濃度限值，只有Pb和Cd的浸出濃度超出廢物填埋濃度限值。

（2）在飛灰摻量70%，蒸養(yǎng)壓力0.5MPa的情況下，固化體仍能獲得較高的抗壓強(qiáng)度，且蒸養(yǎng)處理能夠大幅度地縮短飛灰固化時(shí)間，提高飛灰處理效率。

（3）固化處理對(duì)于降低飛灰中重金屬的浸出毒性有重要的作用。在飛灰摻量不超過70%的條件下，經(jīng)固化處理后，飛灰中各種重金屬浸出濃度均低于廢物填埋濃度限值，可滿足進(jìn)入填埋場(chǎng)填埋處置的要求。

[1] 宋麗蕓.垃圾焚燒飛灰的資源化研究[D].上海:華東理工大學(xué),2011.

[2] HjelmarO.Disposal strategies for municipal solid waste incineration residues for financial surpor t[J]. Journal of Hazardous Material s.1996(47):345-368.

[3] 盧歡亮,黃曉文.生活垃圾焚燒飛灰固化處理的工程實(shí)踐[J].環(huán)境衛(wèi)生工程,2007,15(03):15-16.

[4] 彭雯.城市生活垃圾焚燒飛灰中重金屬的浸出特性及瀝青固化飛灰的實(shí)驗(yàn)研究[D].杭州:浙江大學(xué),2004.

[5] Kyung-Jin Hong,Shuzo Tokunaga, Toshio Kajiuchi. Extraction of heavy metals from MSW ine ine rator fly ashes by chelating agent s[J]. Joumal of Hazardous Materials.2000(75):57-73.

[6] 池東華.垃圾焚燒飛灰在水泥中的固化穩(wěn)定化研究[D].上海:東華大學(xué),2003.

熊祖鴻(1975-)，高級(jí)工程師，從事固體廢物資源化利用研究。

彭華平(1986-)，從事固體廢棄物資源化利用工作。